摘要：四川電網(wǎng)錦蘇、復(fù)奉和賓金三回特高壓直流輸電線路相繼投產(chǎn)后,若任一直流工程發(fā)生雙極閉鎖穩(wěn)控拒動故障,大量盈余功率轉(zhuǎn)移將導(dǎo)致渝鄂輸電斷面失步解列裝置動作,川渝電網(wǎng)孤立運行.由于四川電網(wǎng)原有高頻切機方案切機量不足以及切除機組選擇不當,將引發(fā)川渝電網(wǎng)高頻問題且失去穩(wěn)定.對此,針對多回特高壓直流投運新形勢,提出的高頻切機方案配置原則包括:應(yīng)避免特高壓直流發(fā)生換相失敗期間和線路故障再啟動成功后誤切機組;高頻切機防控故障應(yīng)限于單回直流故障;為避免過切機組,每輪次切機量不宜過大;直流閉鎖引發(fā)的高頻問題,應(yīng)該由直流配套電源來解決等.最后,重新配置并校核了高頻切機方案,研究結(jié)論已得到實際應(yīng)用,切機定值已下發(fā)至機組,應(yīng)用效果良好.

引言：

四川省地處中國西南地區(qū),可開發(fā)的水利資源蘊藏豐富,已投產(chǎn)的三回特高壓直流錦屏—蘇州(簡稱錦蘇)輸送容量為7.2GW、復(fù)龍—奉賢(簡稱復(fù)奉)輸送容量為6.4GW和宜賓—金華(簡稱賓金)輸送容量為8GW,是國家電網(wǎng)公司“三交四直”特高壓網(wǎng)架中的重要組成部分.特高壓直流工程由于電壓等級高、輸送距離遠、容量大,一旦發(fā)生換相失敗、線路故障再啟動、功率閉鎖等故障,將對送端和受端電網(wǎng)穩(wěn)定性造成較大影響.因此,學(xué)者們針對特高壓直流饋入后受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性和穩(wěn)控措施配置,以及直流閉鎖引起功率大范圍轉(zhuǎn)移對送端電網(wǎng)穩(wěn)定性影響[5G9]做了深入研究,對交直流耦合下的穩(wěn)定機理以及維持穩(wěn)定的穩(wěn)控措施均有大量研究成果.

前述直流功率閉鎖后系統(tǒng)的穩(wěn)定性及穩(wěn)控措施研究屬于電力系統(tǒng)第二道防線范疇,針對川渝電網(wǎng)“強直弱交”的特點,直流功率閉鎖后仍需考慮穩(wěn)控裝置拒動的可能性,直流功率大范圍轉(zhuǎn)移至500kV交流線路,將引起川渝電網(wǎng)與華中東四省輸電斷面失步解列裝置動作,導(dǎo)致川渝電網(wǎng)孤網(wǎng)運行系統(tǒng)頻率升高,配置第三道防線的高頻切機方案可使得系統(tǒng)恢復(fù)頻率穩(wěn)定.文獻提出結(jié)合發(fā)電機一次調(diào)頻、連鎖切機、高頻切機和發(fā)電機超速保護等手段來抑制系統(tǒng)高頻問題;文獻中對于發(fā)電機組超速保護定值設(shè)定與高頻切機協(xié)調(diào)配合進行了優(yōu)化研究;文獻通過推導(dǎo)區(qū)域電網(wǎng)頻率偏差的解析式,掌握了頻率變化特性,提出了一種基于單機模型快速配置高頻切機方案的方法;文獻針對地區(qū)電網(wǎng)深化研究了機組間超速保護定值的協(xié)調(diào)配合.

以上文獻對于高頻切機配置方法及各參數(shù)協(xié)調(diào)配合原則均值得借鑒,但針對大規(guī)模直流功率閉鎖引起的高頻問題及其配置原則暫無詳細研究.

本文基于2014年四川電網(wǎng)三回特高壓直流滿功率送出運行方式,若發(fā)生任一回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動故障,鄂渝斷面失步解列動作導(dǎo)致川渝電網(wǎng)孤網(wǎng)運行,針對四川電網(wǎng)原有高頻切機方案切機量不足和切除機組選擇等問題,提出了適應(yīng)多回特高壓直流送出新形勢的高頻切機方案配置原則,并重新配置和校核了高頻切機方案,為多回特高壓直流滿功率安全穩(wěn)定送出提供了重要技術(shù)支撐.

1原有高頻方案適應(yīng)性仿真分析

1.1特高壓直流投運典型運行方式

2014年夏季典型方式,特高壓交流北送約5.4GW,華中電網(wǎng)裝機容量已經(jīng)達到146GW,最大

負荷達到119GW.其中,四川電網(wǎng)機組出力達到48.4GW,最大負荷達到21.55GW,此時三回特高壓直流均為額定功率送出.重慶電網(wǎng)出力達到10.92GW,最大負荷達到12.12GW,川渝電網(wǎng)總出力達到59.32GW,總負荷達到33.68GW.四川電網(wǎng)三回特高壓直流送出聯(lián)絡(luò)示意圖如圖1所示.

由圖1可以看出,四川電網(wǎng)具有鮮明的送端電網(wǎng)特點,重慶電網(wǎng)屬于受端,需要從四川受電并承擔著轉(zhuǎn)送四川電力至華中的任務(wù),所以通常川渝斷面的解列裝置不啟用,川渝電網(wǎng)作為一個整體,而將渝鄂斷面的解列裝置啟用,保證發(fā)生大擾動時解列渝鄂斷面,川渝電網(wǎng)孤立運行.

1.2四川電網(wǎng)現(xiàn)有高頻方案不適應(yīng)性

四川電網(wǎng)在特高壓直流工程投運前,為了解決水電通道送出故障引起的局部電網(wǎng)高頻問題,配置了高頻切機方案,具體如表1所示.

四川電網(wǎng)原有高頻切機方案的各輪次動作延時均為0.5s,各輪次的切機量不超過1.35GW,6輪總計切機量為6.71GW.

三回特高壓直流線路投運后,四川電網(wǎng)原有高頻方案能否適應(yīng)需要進行研究.本文暫以錦蘇直流發(fā)生雙極閉鎖穩(wěn)控裝置拒動故障為例,說明四川電網(wǎng)原有高頻切機方案適應(yīng)性的不足.算例中考慮火電機組配置超速保護及渝鄂斷面解列裝置.錦蘇直流雙極閉鎖功率為7.20GW,約占川渝電網(wǎng)總出力12%,故障后大量盈余的直流功率轉(zhuǎn)移至500kV

交流通道,導(dǎo)致川渝電網(wǎng)相對于華中主網(wǎng)失步,渝鄂斷面失步解列裝置動作,川渝電網(wǎng)孤網(wǎng)運行頻率升高,四川高頻切機動作兩輪,切除機組約2.1GW.川渝電網(wǎng)整體頻率升高至51.5Hz附近,由于重慶未切除機組且距離川渝電網(wǎng)慣量中心較遠,所以大量機組頻率超過51.5Hz,引起超速保護反復(fù)動作,發(fā)電機組機械功率曲線如圖2所示,導(dǎo)致川渝斷面潮流大幅波動,又引發(fā)四川重慶機組間功角失穩(wěn).可見,四川現(xiàn)有高頻切機方案已經(jīng)不能適應(yīng)大容量特高壓直流工程投運的方式,有必要對其進行改進.

根據(jù)文獻的理論推導(dǎo)和單機模型仿真結(jié)論:同一時刻采取不同切機量對系統(tǒng)頻率偏差最大值和穩(wěn)態(tài)頻率偏差均有影響.因此,增加高頻切機每輪次切機量將有利于抑制頻率升高幅度,特別是越快切除越有利于穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù),這也符合物理常識.可見,四川電網(wǎng)原有方案不適應(yīng)特高壓直流投運的新形勢的主要原因與切機量不足和切除機組的選擇有關(guān)系.本文將在配置原則中明確切機量的控制范圍和切除機組的選定.

2高頻切機方案配置原則

2.1一般性配置原則

1)高頻切機措施應(yīng)重點針對省網(wǎng)或地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后可能出現(xiàn)的高頻情況設(shè)置.

2)高頻切機需要與低頻減載措施配合,避免高頻切機動作導(dǎo)致低頻減載裝置動作.

3)應(yīng)考慮發(fā)電機高頻保護與汽輪機超速保護配合問題,避免超速保護先行動作導(dǎo)致發(fā)電機出現(xiàn)反復(fù)“振蕩”過程,影響機組的安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定.

4)高頻切機措施應(yīng)根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及最大交換功率變化,定期進行必要的校核及調(diào)整.

2.2適應(yīng)特高壓直流投運后的配置原則

1)應(yīng)避免特高壓直流發(fā)生換相失敗期間、線路故障再啟動成功后高頻切機誤動而切除機組,此外應(yīng)保證發(fā)生交流系統(tǒng)短路故障暫態(tài)期間不應(yīng)誤動切除機組.

2)針對四川電網(wǎng)三回特高壓直流滿功率送出方式,高頻切機防控的故障應(yīng)限于單回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動,主要原因一是直流閉鎖穩(wěn)控裝置均為一主一備配置,因此單回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動已經(jīng)屬于N-4故障,所以兩回及以上直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動故障發(fā)生的概率極低;二是,防控兩回以上直流閉鎖故障,需要配置快速、大量的切除機組方案作為穩(wěn)控裝置的后備措施,而這樣配置極有可能導(dǎo)致過切引起低頻減載動作.

3)高頻切機方案每輪次切機量不宜過大,防止過切機組后引起低頻減載動作.針對2014年川渝電網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)模和第1輪低頻減載動作定值,可以計算得到高頻切機方案單輪臨界切機量.

4)因直流閉鎖引發(fā)的高頻問題,切除機組選取,應(yīng)該主動由直流配套電源來解決,如果舍近求遠的采取切除網(wǎng)內(nèi)機組可能引起潮流轉(zhuǎn)移越限等問題.

3高頻切機方案配置

3.1確定第1輪的啟動頻率

高頻切機方案第1輪的啟動頻率不宜過低,應(yīng)避免特高壓直流發(fā)生換相失敗期間、線路故障再啟動成功及發(fā)生交流系統(tǒng)短路故障暫態(tài)期間不應(yīng)切除機組.以直流再啟動成功為例說明定值的設(shè)定原則.再啟動策略選擇工程應(yīng)用較多的2次全壓1次降壓,三回直流中輸送功率最大的賓金直流穩(wěn)定曲線如圖3所示.

從圖3可以看出,賓金直流2次全壓啟動未成功,第3次降壓啟動成功,川渝電網(wǎng)最高頻率不超過50.8Hz,為了避免因直流再啟動成功誤切機組,高頻切機第1輪頻率定值設(shè)置應(yīng)不低于50.8Hz,留有一定裕度后可設(shè)置為51.0Hz,同時可與四川電網(wǎng)現(xiàn)有方案第1輪定值匹配.

3.2高頻切機方案防控故障

高頻切機應(yīng)主要防控特高壓直流任意單回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動故障引起的系統(tǒng)頻率升高,而兩回及以上直流同時發(fā)生雙極閉鎖故障的概率極低,且若將高頻切機作為穩(wěn)控措施的后備解決暫態(tài)功角失穩(wěn),則需要增加大量的高頻切機量,由此帶來過切的隱患.以復(fù)奉、賓金直流雙極閉鎖故障穩(wěn)控裝置拒動為例.四川電網(wǎng)功角曲線如圖4所示.

從圖4可以看出,向家壩和溪洛渡機組相對于川渝電網(wǎng)暫態(tài)功角失穩(wěn),導(dǎo)致頻率大幅波動后機組超速保護反復(fù)動作.需采取快速聯(lián)切失步機組措施,才能維持川渝電網(wǎng)穩(wěn)定運行.

3.3確定每輪次最大切機量

為避免過切機組引起低頻減載動作,本文采取如下方式確定每輪次最大切機量.首先,調(diào)整渝鄂斷面為零功率,隨后無故障解列渝鄂斷面,形成川渝電網(wǎng)孤網(wǎng)運行,再通過不斷增加川渝電網(wǎng)的切機容量尋求達到低頻減載第1輪定值49.0Hz的切機量邊界.川渝電網(wǎng)不同切機量的頻率曲線如圖5所示.從圖5可以看出,切除2.45GW機組后川渝電網(wǎng)頻率最低達到49.03Hz,且低頻減載特殊輪動作一輪.切除2.20GW機組,川渝電網(wǎng)頻率最低達到49.53Hz.

根據(jù)上述計算結(jié)果,川渝電網(wǎng)負荷水平33GW方式下,過切2.20~2.45GW機組將面臨低頻減載誤動風(fēng)險.隨著系統(tǒng)損失機組數(shù)量增多,系統(tǒng)規(guī)模降低,系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量減少,能容忍的切除機組容量就越少,面臨更大的過切風(fēng)險.所以,四川電網(wǎng)高頻切機每輪次的切機容量應(yīng)不超過2.20GW,留有一定裕度后不超過2GW為宜.

3.4確定高頻切機方案需切除機組

基于四川電網(wǎng)原有高頻切機方案,需要在第1輪增加切機量,考慮到高頻問題主要由直流閉鎖故障引起,所以新增加的切除機組可有兩類選擇,第1類直流近區(qū)機組,第2類直流遠端機組.以賓金直流雙極閉鎖穩(wěn)控裝置拒動故障為例,說明切除不同機組對系統(tǒng)頻率恢復(fù)的影響.假設(shè)兩類新增切除機組的切機量一致,新增切除直流近區(qū)機組對最低頻率和穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)更有利.即切除閉鎖直流近端的機組,頻率恢復(fù)周期短,恢復(fù)速度快;而切除四川電網(wǎng)內(nèi)部直流遠端機組與切除重慶電網(wǎng)機組對于頻率第1擺過后的恢復(fù)速度影響不大.所以,從系統(tǒng)頻率恢復(fù)速度角度考慮,應(yīng)盡量采取切除直流近端的機組.

3.5確定高頻切機方案

文獻[17]中區(qū)域電網(wǎng)高頻切機方案配置方法可以借鑒,而本文重點是基于四川電網(wǎng)原有方案,結(jié)合特定的配置原則來改進四川電網(wǎng)高頻切機方案.根據(jù)計算結(jié)果,需要在原有高頻切機方案第1輪增加直流近區(qū)機組,確定為錦西電廠一臺機組加上溪洛渡電廠一臺機組,并且每輪次切機量不超過2GW.

國家電力調(diào)度通信中心召開了專題研討會后,認可了本文提出的適應(yīng)大規(guī)模直流輸電的四川電網(wǎng)高頻切機方案優(yōu)化調(diào)整原則.此外,四川電網(wǎng)根據(jù)國家電網(wǎng)調(diào)度通信中心的意見,重新調(diào)整高頻切機方案,具體如表2所示.

四川電網(wǎng)最終高頻切機方案的各輪次動作延時仍為0.5s,各輪次的切機量不超過2GW,6輪總計切機量約為9.67GW.

4高頻切機方案校核

確定四川電網(wǎng)最終高頻切機方案后,需要對任一特高壓直流閉鎖故障進行校核.選取復(fù)奉和賓金為例,故障形式為雙極閉鎖,直流極控0.3s切除濾波電容器,直流穩(wěn)控裝置拒動,故障后的系統(tǒng)頻率曲線如圖6所示.

計算結(jié)果表明,復(fù)奉直流雙極閉鎖故障,川渝電網(wǎng)穩(wěn)定運行,四川電網(wǎng)高頻切機動作兩輪,共計切除2.05GW機組,四川電網(wǎng)最高頻率升高至51.2Hz,最低頻率49.8Hz,恢復(fù)頻率為50.1Hz.賓金直流雙極閉鎖故障,川渝電網(wǎng)穩(wěn)定運行,四川電網(wǎng)高頻切機動作兩輪,共計切除3.93GW機組,最高頻率51.4Hz,最低頻率49.7Hz,恢復(fù)頻率為50.0Hz.

5結(jié)語

“十二五”期間,四川省三回特高壓直流輸電線路相繼投產(chǎn),直流滿功率送出方式下若發(fā)生任一單回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動故障,均將導(dǎo)致渝鄂斷面失步解列,川渝電網(wǎng)孤立運行頻率升高.本文計算結(jié)果表明,四川電網(wǎng)原有高頻切機方案已不能適應(yīng)多回特高壓直流投運的新形勢,因此基于原有高頻方案,結(jié)合避免誤切機組、防控單回直流雙極閉鎖故障、單輪切機量不宜超過2GW和宜切除直流近區(qū)機組等配置原則,在第1輪中增加了錦西和溪洛渡各一臺機組,重新調(diào)整并校核了四川電網(wǎng)切機方案,研究結(jié)論已得到實際應(yīng)用,切機定值已下發(fā)至機組,應(yīng)用效果較好,為多回特高壓直流滿功率安全穩(wěn)定送出提供了重要技術(shù)支撐.